奋勇赴战，功不可没
临沂再次告急。此时，张自忠率第59军星夜折返回援，于25日抵达临沂。与此同时，第五战区又令在海州方面缪澂流的第57军派一个旅增援临沂，归张自忠指挥作战。第59军连续攻占桃园、三官庙、南北道、古城等阵地。
3月26日，日军以主力部队迎面猛攻第59军38师，该师由于之前战斗伤亡太大，连预备队也已拼光，黄维纲师长向张自忠汇报了情况。张自忠要求坚决顶住，黄维纲忍不住回答正面部队伤亡太大，真的已经顶不住了，恐怕是等不到180师赶到。
张自忠大怒，厉声喝斥，黄维纲一气之下将身边的卫兵和大部分文职人员全副武装起来，由他亲自带领急奔第一线增援。张自忠虽然训斥了黄维纲，但他知道黄作战勇敢，性格又非常沉稳，非到万不得已，绝对不会顶不住。
张自忠命令自己的警卫手枪营配合676团二营立即跟着他出发，他亲率这支部队赶到了38师阵地。在增援的路上，日军发现似乎有个高级军官在前方，立即调动火炮猛烈轰击。
张自忠身边瞬间被炮弹覆盖，但他坚定沉着，继续用望远镜观察日军阵地，并指挥部队利用炮击的间隙跑步增援。38师官兵士气大振，皆置生死于度外，义无反顾地冲向日军。
张自忠、庞炳勋两军与日军激战至29日，缪澂流部增援到达临沂，即决定于30日拂晓，出其不意实行反攻。反攻部队将敌截断为两部分，敌主力全线崩溃，再度向汤头方向溃败逃窜，沿途日军尸横遍野。
第五师团师团长板垣征四郎誓死不退，但难抵中国军队的猛攻，最后由其部下硬拖，并拼死掩护，才突出包围，率部狼狈逃窜。
至此，张自忠的第三次反攻战取得了辉煌的胜利。
临沂之战成就了张自忠抗日名将的英名。李宗仁回忆临沂之战时说:“此次临沂之捷，张自忠的第59军奋勇赴战之功，实不可没。”
“张自忠前经明令撤职查办，兹据军事委员会呈称，此次临沂之役，该员奋勇歼敌，树立奇功，拟请撤销前令，以资鼓励等情。”1938年3月30日，民国中央政府下令撤销对张自忠的处分。
1938年4月擢升张自忠为27军团军团长兼第59军军长，10月又升任33集团军总司令，旋兼任第五战区右翼兵团总司令。从此，张自忠驰骋抗日疆场，与日军浴血奋战，直至殉国于宜城境内十里长山，年仅49岁。
